鴻興煤礦29106 工作面開采地表沉降量觀測研究

李鵬

（六盤水市應急管理局，貴州 六盤水 553000）

煤礦開采過程中伴隨著巖層移動和變形，造成了地表一定程度的沉陷。掌握地表移動的規律對于防治地表沉陷具有重要的意義。為了保護地表上的建筑物、水體和鐵路等設施的安全，必須要合理地設計保護煤柱，這就需要用到地表移動的一些參數。為了研究和掌握山西古縣西山鴻興煤業有限公司29106 回采工作面開采引起的地表移動變形基本規律，獲取該礦區內鐵路、公路、水體以及工業民用建筑物保護煤柱留設參數，指導各種受護對象的保護煤柱設計，于2018 年12 月至2021 年6 月，在29106 工作面上方地表設計建立剖面線形式的開采沉陷觀測站，通過監測其變形破壞，研究鴻興煤礦采煤引起的地表沉降數值。

1 概 況

山西古縣西山鴻興煤業有限公司井田位于古縣北平鎮上、下寶豐村一帶，井田呈一不規則多邊形，南北寬3.58 km，東西長3.915 km，面積為6.543 4 km2。井田南距古縣縣城約65 km，西南距洪洞發煤站約97 km，內有土石路與縣級公路相通，至北平鎮可與323 省道相接，交通運輸條件便利。

鴻興煤業29106 回采工作面地面位于該礦區西南部，工作面總體為一單斜構造，煤層傾角為2°～6°?；仫L順槽、運輸順槽各存在2 處褶曲，褶曲傾角均小于5°，對工作面回采影響不大。斷層較少，除F40、F42 斷層，其余規模一般不大。發育有陷落柱。根據回采工作面坑透、物探成果資料顯示，該工作面同層存在3 處物探高阻異常區、4處物探低阻異常區，經鉆探驗證均為正常煤層，暫未發現隱伏陷落柱情況。臨近軌道巷、運輸、回風順槽等頂板為K2 灰巖，堅硬，存在裂隙較少，推測該面頂板節理不發育（間距在1 m 以上），按面裂隙率分類屬弱裂隙性，但頂板易破碎。井田內未發現巖漿巖。井田構造屬于簡單類型。

29106 工作面采用走向壁綜采放頂煤方法，全部垮落法管理頂板。在煤層開采過程中，相鄰工作面的采動情況對其影響較大，不可忽略，其往往導致下沉值偏大，或者盆地中心偏移等，也可能使給采動帶來一些突發事件和造成采動移動過程參數變化等。29106 工作面東北為礦井9 號煤集中軌道巷；東南為實體煤區域，未進行過開采；其它區域為礦井保安煤柱。工作面四鄰無采空區、小窯破壞區、煤層露頭等。9 號煤上覆3 號煤層為小窯采空區，層間距平均76.6 m，如圖1 所示。

圖1 29106 工作面位置示意Fig.1 The location of No.29106 Face

2 地表觀測站的布置

2.1 觀測站設置

地表移動觀測站設計所用的開采沉陷參數有走向移動角δ、傾向下山移動角β、傾向上山移動角γ，移動角修正值△δ、△β、△γ 及最大下沉角θ 等。

地表移動觀測站設計時所用到的開采沉陷參數，結合晉城礦區各礦地表開采沉陷實際觀測資料確定，尤其是29106 開采時地表的觀測資料。

地表移動觀測站設計的開采沉陷參數取值如下：①基巖移動角（走向δ，傾向上山γ，傾向下山β），其中δ=72°，γ=72°，β=68°；②表土層移動角φ=45°；③移動角修正值（走向△δ，傾向上 山△γ， 傾 向 下 山△β）， 其 中△γ=20° 、△β=17°、△δ=20°；④煤層傾角α=4°最大下沉角θ=84.4°；⑤走向充分采動角φ3=19°。

根據實地考察和分析研究，并參照結合晉城礦區各礦地表開采沉陷實際觀測資料，設置29106 工作面的觀測站。各觀測線的總長度和點數見表1，觀測站的具體位置如圖2 所示。

表1 觀測線長度和點數Table 1 Observation line length and points

圖2 29106 工作面地表觀測站布設Fig.2 The surface observation station layout of No.29106 Face

如圖2 所示，觀測站布設為2 條觀測線，每條觀測線一端設置1 組控制點，控制點距離采空區邊界的水平距離都大于0.7 H（H 為開采深度）。

2.2 實際測點構造及埋設

工作測點間距離為20 m。觀測站的控制點和工作測點采用混凝土灌注埋設。測點規格和埋設要求如圖3 所示。

圖3 測點設計標志示意Fig.3 The design symbol of measuring point

在進行灌埋時，首先，在標記的位置挖1 個深度不小于0.6 m 的深坑，坑的尺寸取決標記的大小，通常是直徑0.2～0.3 m 的圓；然后，將預制的標準混凝土樁埋入到坑內，并將坑周圍用混凝土填實。在進行測量時，以混凝土樁的中心點作為觀測的標志點。根據地形情況測點也可以采用木樁，木樁長50 cm，直徑5 cm，木樁上釘上小鋼釘，小鋼釘長3 cm，直徑2 mm。

3 觀測內容及方法

地表移動觀測站建立后，要分別進行與觀測礦區控制網連測、全面觀測等測量工作，由于受地形影響，使用的儀器及測量內容見表2。

表2 地表變形觀測站所使用的儀器及測量內容Table 2 The instruments and measurement contents used in surface deformation observation station

地表移動觀測站建立后即要進行觀測，在開采過程中不同的時間內進行不同的觀測內容，觀測時間和次數可按采動前、移動初始期、移動活躍期和移動衰退期階段安排，具體見表3，如工作面推進有變化，應按實際情況進行調整。

表3 地表移動觀測站觀測時間及觀測內容Table 3 The observation time and observation content of surface movement observation station

觀測數據的處理步驟如下。

（1） 觀測成果的檢查和計算。每次觀測后應及時進行檢查。如發現粗差或超限，應及時重測，直至全部觀測數據符合要求為止。各點高程計算時先進行平差，然后計算高程，并將所得的各點的高程填入綜合計算表中。各點間沿觀測線方向的水平距離由實測數據加入各種距離改正后求得。

（2） 各觀測點的三維坐標計算。開采沉陷觀測站的所有控制點和監測點，每次外業觀測完成后，其點位坐標及高程運用測量平差軟件進行計算，檢查其計算精度符合技術規范要求。經平差計算得出各監測點的三維坐標（x，y，H）。

（3） 觀測資料整理的主要目的是求得各測點的下沉變形，可由2 次不同的水準測量或三角高程測量的高程差來計算。

（4） 地表點移動變形計算。觀測數據經過整理改正后，便可計算觀測線上各測點和各測點間和沿測線方向的變形。

m次觀測時n 點的下沉可用下式計算：

式中：Wn為地表點的下沉值；Hn0和Hnm分別為地表n 點在首次和m 次觀測時的高程。

4 觀測結果分析

29106 工作面地表下沉規律曲線如圖4 所示。

圖4 下沉曲線Fig.4 The sinking curve

由圖4（a） 可以看出，走向觀測Z 線最低點地面標高為1 204.775 m，最高點地面標高為1 386.836 m，最大相對高差182.061 m，相比觀測線長度，其地勢起伏相較大。隨著工作面的推進，地表下沉逐漸增大，到第8 次觀測地表最大下沉在Z39 處達到2 112 mm，在第8 次觀測范圍內出現了基本穩定平底，說明走向方向達到充分采動，整體曲線規律性較好。

由圖4（b） 分析及觀測數據計算可知，傾向觀測Q 線最低點地面標高為1 229.481 m，最高點地面標高為1 357.417 m，最大相對高差127.936 m，相比觀測線長度，其地勢起伏相較小。大部分在采空區范圍內沉陷值最大，到第五次觀測地表最大下沉在Q17 處達到1 222 mm，整體曲線規律性較好。

選擇29106 觀測站觀測資料較為完整且有代表性的位于觀測Z 線Z39 號測點作為下沉速度計算點，計算結果見表4。按表4 計算結果制作該點的下沉速度和下沉過程曲線，如圖5 所示。

表4 29106 觀測站Z 線Z39 號測點下沉速度計算Table 4 Calculation of sinking velocity of Z39 measuring point on Z line of No.29106 observation station

圖5 觀測Z 線Z39 號點的下沉速度及下沉曲線Fig.5 The sinking velocity and sinking curve of observation Z line Z39 point

由圖4 觀測Z 線Z39 號點的下沉速度及下沉曲線圖分析可得，從2019 年2 月開始回采20106工作面，從此時開始計入下沉開始階段，地表移動下沉量主要集中在活躍期，衰退期還未結束。

移動初始期（TC） 為地表點開始下沉至下沉速度50 mm/月（1.67 mm/d），TC=14 d；移動活躍期（Th） 為地表點下沉速度大于等于50 mm/月（1.67 mm/d），Th=330 d；移動衰退期（TS） 為地表點連續6 個月下沉量小于50 mm/月（1.67 mm/d） 且下沉累計不超過30 mm 時止的階段，TS=466 d；移動總延續時間（TZ） 為810 d。

Z39 號點最大下沉速度發生在2019 年6 月和2019 年10 月，在此期間該點平均最大下沉速度為12.591 7 mm/d。按Z39 號點求取的最大下沉速度Vm=89.272 7 mm/，Z39 號點在移動期內的最大下沉值Wm=2 112 mm，Z39 號點的采深H=275 m，該工作面總共長740 m，共計開采900 d，由此求得下沉速度系數為1.996。

5 結 語

通過建立的29106 工作面的走向和傾向觀測站，獲得了回采期間的巖層移動規律。觀測結果表明，地表的下沉值較大，且巖層運動時間較長，這對于地表建筑物十分不利。為此，在開采過程中，必需要做好地面采動區設施的保護工作。